Forschung an elektrochemischen Energiespeichern Auf der Suche nach der nächsten Akku-Generation

Li-Ionen-Akkus sind die Treiber der heutigen Mobilität. Smartphones, Tablet-PCs, Notebooks, Akku-Werkzeuge, Elektrofahrräder und Elektroautos tragen sie als Energiespeicher in sich. Allerdings sind sie teuer und teilweise brandgefährlich. Die kommende Akku-Generation soll billiger und sicherer werden.

Jahrelang wurde in Deutschland nur wenig an elektrochemischen Energiespeichern geforscht. Erst mit dem Boom der Li-Ionen-Akkus, die sogar von den deutschen Autobauern für ihre Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge auserwählt wurden, wurde die Forschung intensiviert (siehe am Ende des Artikels „Li-Ionen-Akkus: Öffentliche Forschung und Produktionstätten“). Nun wird eifrig versucht, den Rückstand gegenüber den japanischen und koreanischen Akku-Herstellern wettzumachen. In den erweiterten und neu eingerichteten Labors für Elektrochemie wird an der nächsten Akku-Generation geforscht: Lithium-Schwefel-Zellen. Sie versprechen viele Vorteile gegenüber den bisher populären Li-Ionen-Zellen: vom Einsatz billigerer Rohstoffe über eine vielfach höhere Energiedichte bis zur intrinsischen Sicherheit der Akku-Zellen (Tabelle). Einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung gab der vierte Workshop „Lithium-Sulphur Batteries“ des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden, der parallel zur dritten Konferenz „Energy in Future“ stattfand.

ParameterLi-Ionen-AkkuLi-S-Akku
Zellenspannung [V] 3,5–4 2,1
theoretische spezifische Kapazität der Kathode [mAh/g]  140–200  1675 
theroretische gravimetrische Energiedichte [Wh/kg] 550–600 2900
praktische gravimetrische Energiedichte [Wh/kg] 150–250 (Massenfertigung) 200–400; 500–800 (experimentell)
theoretische volumetrische Energiedichte [Wh/l] 1800 2800
Zyklenzahl 3000–7000 1000 (experimentell)
Kosten für Rohmaterial [US-Dollar/t] LiCoO2: 40.000 S8: 150

Li-S-Akku-Zellen stecken noch in den Kinderschuhen

Die theoretischen Maximalwerte (siehe Tabelle) einer Sekundärzelle können zwar nie erreicht werden, mit den aktuell am Markt erhältlichen Li-Ionen-Akku-Zellen kommen die Hersteller aber inzwischen, nach gut 20 Jahren Produktionserfahrung, auf Werte im Bereich von 25 bis 40 Prozent des theoretischen Maximums. Von solchen Werten sind die derzeitigen Lithium-Schwefel-Akku-Zellen noch ein gutes Stück entfernt. Sie kommen bestenfalls auf Werte zwischen 7 und 14 Prozent. Hauptgrund ist der hohe Anteil inaktiver Materialien in den bisher verwendeten Bauweisen von Li-S-Akku-Zellen. So entfällt beispielsweise bis zu 50 Prozent der gesamten Zellenmasse auf das Elektrolytmaterial – eine Herausforderung, an der Forscher aus aller Welt arbeiten. Sie entwickeln z.B. siliziumbeschichtete Kupferfolien für die Anoden und versuchen den für die Kathode genutzten Kohlenstoff als Schwefelspeicher zu optimieren – durch poröse Strukturen, Nanofasern und Graphen-Schaum.

Interesse an Li-S-Akkus haben neben der Automobilindustrie auch Energieerzeuger und die Raumfahrtindustrie – wegen der niedrigen Kosten, der kleinen Masse und der höheren Sicherheit im Vergleich zu Li-Ionen-Akkus. Allerdings deuten die bisherigen Entwicklungen an, dass zumindest die ersten Generationen von Li-S-Akkus keine hohen Ströme abgeben oder aufnehmen können. Es sind auf Energieinhalt optimierte Speicher, nicht schnelladefähig. Erste Anwendungen der Li-S-Akkus werden wahrscheinlich im Weltraum in Satelliten erfolgen. Airbus Defence & Space hat die Li-S-Akku-Zellen des Herstellers Oxis bereits getestet und beteiligt sich auch an einem EU-Forschungsprojekt im Rahmen des Programms Horizon 2020. Das Unternehmen Oxis Energy Ltd. mit Sitz in Abingdon, England, gilt als einer der Pioniere bei Li-S-Akku-Zellen; seit 2005 wird dort mit Li-S gearbeitet. Bisherige Ergebnisse sind vorrangig 67 erteilte Patente und weitere 73 Patentanmeldungen, aber auch Li-S-Pouch-Zellen mit aktuell 39 Ah. Damit erreicht Oxis eine Energiedichte von 220 Wh/kg. Im Zyklentest ging nach ca. 600 Zyklen die Kapazität der Li-S-Akku-Zelle allmählich zurück, nach ca. 1000 Zyklen auf 80 Prozent, nach 1100 Zyklen auf 70 Prozent der Anfangskapazität. Bis 2017 wollen die Forscher bei Oxis Li-S-Akku-Zellen mit einer Energiedichte von 400 Wh/kg produzieren können und 2019 planen sie, 500 Wh/kg zu erreichen.

 

Li-Ionen-Akkus: Öffentliche Forschung, Produktion 
Mit der Schließung des Li-Tec-Werkes in Kamenz verringert sich die Produktionskapaziät – gemessen an der speicherbaren Energie – in Deutschland um ca. 80 Prozent. Obwohl deutsche und europäische Unternehmen Technik und Know-how für den Bau von Produktionsanlagen zur Massenfertigung von Li-Ionen-Akku-Zellen nach Asien und in die USA exportieren, werden in Deutschland selbst kaum Zellen hergestellt. Man begnügt sich mit dem Import. Doch es werden nicht nur Li-Ionen-Akku-Zellen im Ausland eingekauft. Akku-Sätze, Antriebseinheiten für Elektroautos und fertige Elektrofahrzeuge kommen aus den USA und aus Asien.

 

(ECC: ECC Batteries GmbH, Geesthacht; FhG: Fraunhofer Gesellschaft; GAIA/LTC/ENS: Joint Venture der GAIA Akkumulatorenwerke GmbH mit der Lithium Technology Corporation und EnerSys, Inc., Nordhausen; KIT: Karlsruher Institut für Technologie; Leclanche: Leclanché GmbH, Willstätt; LIACON: Liacon GmbH, Itzehoe; Li-Tec: Li-Tec Battery GmbH, Kamenz; MEET: Münster Electrochemical Energy Technology; RWTH: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; TUB: Technische Universität Braunschweig; TUM: Technische Universität München; Varta/VW: Joint Venture der Varta Microbattery GmbH und der Volkswagen AG, Ellwangen; ZSW: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Labor für Batterietechnologie (eLaB), Ulm.)

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